CN104843132A - 一种助力自行车的助力控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种助力自行车的助力控制装置，所述助力控制装置包括驱动单元、控制单元、设置在自行车转动盘上的环形光栅以及设置在固定盘上的光电开关，其中：所述光电开关径向设置在所述自行车固定盘上，所述光电开关在固定盘的位置与所述环形光栅在转动盘的位置相对应，使所述环形光栅对所述光电开关产生脉冲序列；所述控制单元根据所述光电开关产生的脉冲序列，计算所述脉冲序列对应的助力值，并根据所述助力值发送相应的转速信号至驱动单元。本发明所述助力控制装置，光电检测基本不会受到环境因素影响，从而使得本发明检测的助力准确率高、检测成本较低，并且安装在转动盘和固定盘的位置，外形美观，而且体积较小。

Description

一种助力自行车的助力控制装置和方法

技术领域

本发明属于助力自行车领域，尤其涉及一种助力自行车的助力控制装置和方法。

背景技术

传统电动车一般是指纯电动车，即骑行者不需要对车辆施加向前的推力，电动车的电机运转完全由电源控制。这种电动自行车的控制方式通过调速手柄连接电动车的控制器，当转动手柄时，输出不同电压值，控制器根据电压值的大小调节控制电机的转速。

纯电动车在我国较为流行，但其不足之处在于，通过纯电源驱动时，电动车的行驶速度完全由手转动的幅度控制，容易使得电动车行驶速度快，会存在安全隐患；另外，纯电动车骑行时只能使用电池，一次续航的使用时间较短，需要频繁充电。

电动助力自行车是一种既可以通过电源驱动，又可以通过人力驱动，还可以根据检测人力的大小相应的控制电机输出助力的大小。当通过检测人力大小相应的控制电机输出助力时，输出的力矩助力与人力成正比，人力越大，助力也越大，不加力则电机不转动，从而能够达到一种四两拨千斤的控制效果，提高对电动车速度控制的可靠性。

为了能够及时感知和判断是否需要助力，目前开发了各种各样的传感器来感知判断是否需要助力及输出助力的大小，比如判断骑行时脚踏力的大小、速度频率的高低等条件，主要包括：

1、简易应变片传感器：该传感器使用的应变片和弹簧等来感知骑行者骑行时脚蹬用力的大小，但受自然环境因素(温度、泥水、灰尘等)影响较大，特别是道路颠簸引起的误动作难于克服，同时机械结构部件加工复杂，加工成本高，容易产生金属疲劳与磨损，寿命短。

2、力矩传感器：这种方式得到的脚踏力矩数据较为精确，目前德国的FAG公司(世界著名的轴承制造商)、THUN公司、国内苏州捷诚科技都推出了中轴式的力矩传感器，但是力矩传感器非常复杂及昂贵，且可能增加维修难度，难以大规模使用。

3、霍尔速度传感器：该方案使用永久性磁铁与霍尔传感器，霍尔传感器输出给控制器脉冲信号的频率与骑行者脚蹬的速度成正比，由于踩踏速度的变化与踩踏力矩的变化是具有相关性的，能一定程度反映脚踏力矩的变化，但该方式使用磁极较多，成本高，功耗大，且由于使用的磁铁数量多，吸力大，很容易将含铁杂质吸入。传统使用时一般设置5～6个磁极，间隔幅度较大，只有当位于磁钢盘上的永久性磁铁通过霍尔感应器时，转动信号才能被霍尔感应器捕获，这样就致使霍尔感应器不能在脚踏的瞬间感应到磁铁，因此现有的感应方式在时间上具有一定的延迟，不能及时感应变化；同时脚踏一有转动就会转动电机，非常难以控制且不安全。

4、内置力矩传感器电机：通过在电机中设计结构感知力矩变化，使电机直接反馈脚踏力矩的大小，此方式电机结构复杂，价格昂贵，电机维修难度大。

因此，现有的传感器存在助力检测的准确率不高、体积较大，或者成本较高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种助力自行车的助力控制装置和方法，以解决现有技术的传感器存在助力检测的准确率不高、体积较大，或者成本较高的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种助力自行车的助力控制装置，所述助力控制装置包括驱动单元、控制单元、设置在自行车转动盘上的环形光栅以及设置在固定盘上的光电开关，其中：

所述光电开关包括光电发射管和光电接收管，且所述光电发射管和光电接收管径向设置在所述自行车固定盘上，所述光电开关在固定盘的位置与所述环形光栅在转动盘的位置相对应；

所述环形光栅设置在所述转动盘上，所述环形光栅可绕所述转动盘的轴心转动，使所述环形光栅对所述光电开关产生脉冲序列；

所述控制单元根据所述光电开关产生的脉冲序列，计算所述脉冲序列对应的助力值，并根据所述助力值发送相应的转速信号至驱动单元。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能实现方式中，所述环形光栅包括同心的外环光栅和内环光栅，所述光电开关数量为两个，且分别设置在所述内环光栅内侧以及外环光栅内侧与所述固定盘对应的位置，且所述外环光栅和所述内环光栅的光栅孔的为均匀分布的一个或者多个。

结合第一方面的第一种可能实现方式，在第一方面的第二种可能实现方式中，所述控制器还用于根据所述脉冲序列判断所述助力自行车为前行状态或者倒退状态，当判断所述助力自行车为倒退状态时，则不对所述驱动电机发送助力驱动的控制指令。

结合第一方面的第一种可能实现方式，在第一方面的第三种可能实现方式中，所述控制器还用于根据所述脉冲序列判断转动盘旋转周期内的受力位置信息，根据所述受力位置信息以及预设的手摇脚踏板的受力位置点、骑行时脚踏的受力位置点，判断当前是否为骑行状态，如果不是骑行状态，则不对所述驱动电机发送助力驱动的控制指令。

结合第一方面，在第一方面的第四种可能实现方式中，所述转动盘为自行车的牙盘结构，所述固定盘包括固定盘端盖，所述控制单元固定在所述固定盘端盖中的环形区域。

结合第一方面，在第一方面的第五种可能实现方式中，所述控制单元包括控制器、电源模块、电路状态监测与保护模块、电机检测模块和外部通信模块，其中：

所述电源模块用于为控制单元提供电能；

所述电路状态监测与保护模块用于在电路异常时提供保护；

所述电机检测模块用于检测电机当前的运行状态，并将所述运行状态反馈给控制器；

所述外部通信模块用于将控制指令传送至控制器，或者由控制器将状态信息输出；

所述控制器用于根据光电开关检测的脉冲序列、电机检测模块的检测信号相应的发出控制指令至电机驱动单元。

结合第一方面的第一种可能实现方式，在第一方面的第一种可能实现方式中，

结合第一方面，在第一方面的第六种可能实现方式中，所述外部通信模块包括显示屏、按键面板、码表、蓝牙通信模块、红外通信模块、无线射频模块中的一种或者多种。

第二方面，本发明提供了一种助力自行车的助力控制方法，所述方法基于上述任一项所述助力自行车的助力控制装置，所述方法包括：

转动盘带动环形光栅转动时，环形光栅控制所述光电发射管的光线到光电接收管的通断，在所述光电接收管产生脉冲序列并发送至控制器；

所述控制器根据所述脉冲序列，计算所述脉冲序列对应的脚蹬力大小；

根据计算的所述脚蹬力大小，控制器发送相应的转速信号至驱动电机。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能实现方式中，所述控制器还包括根据接收的所述脉冲序列与预设的前行的脉冲序列、倒退的脉冲序列进行比较，判断当前运行的状态信息，当判断为倒退状态时，则不对所述驱动电机发送助力驱动的控制指令。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能实现方式中，所述控制器还包括根据接收的所述脉冲序列判断转动盘旋转周期内的受力位置信息，根据所述受力位置信息以及预设的手摇脚踏板的受力位置点、骑行时脚踏的受力位置点，判断当前是否为骑行状态，如果不是骑行状态，则不对所述驱动电机发送助力驱动的控制指令。

本发明实施例中所述助力自行车的助力控制装置，包括设置在固定盘上的成本较低、体积较小的光电开关，以及设置在转动盘上的环形光栅，当所述转动盘转动时，带动光栅旋转，使得环形光栅的光栅孔对准所述光电开关时，光电接收管不导通，所述光栅孔没有对准所述光电开关时，光电接收管导通，从而根据所述导通的时间生成助力自行车当前转速对应的脉冲序列，控制器根据所述脉冲序列计算得到当前转速对应的转速信号，由于光电检测基本不会受到环境因素影响，从而使得本发明检测的助力准确率高、检测成本较低，并且安装在转动盘和固定盘的位置，外形美观，而且体积较小。

附图说明

图1a是本发明实施例提供的助力自行车的转动盘结构示意图；

图1b是本发明实施例提供的助力自行车的固定盘结构示意图；

图2是本发明实施例提供的控制单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的助力自行车的助力控制方法实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的主要目的在于提供一种助力自行车的助力控制装置和方法，以解决现有技术中存在的助力检测装置要么成本非常高，要么检测的准确率不高，以及检测装置的体积较大的问题。

为解决上述问题，本发明提出了一种助力自行车的助力控制装置，所述助力控制装置包括驱动单元、控制单元、设置在自行车转动盘上的环形光栅以及设置在固定盘上的光电开关，其中：所述光电开关包括光电发射管和光电接收管，且所述光电发射管和光电接收管径向设置在所述自行车固定盘上，所述光电开关在固定盘的位置与所述环形光栅在转动盘的位置相对应；所述环形光栅设置在所述转动盘上，所述环形光栅可绕所述转动盘的轴心转动，使所述环形光栅对所述光电开关产生脉冲序列；所述控制单元根据所述光电开关产生的脉冲序列，计算所述脉冲序列对应的助力值，并根据所述助力值发送相应的转速信号至驱动单元。

本发明实施例中所述助力自行车的助力控制装置，包括设置在固定盘上的成本较低、体积较小的光电开关，以及设置在转动盘上的环形光栅，当所述转动盘转动时，带动光栅旋转，使得环形光栅的光栅孔对准所述光电开关时，光电接收管不导通，所述光栅孔没有对准所述光电开关时，光电接收管导通，从而根据所述导通的时间生成助力自行车当前转速对应的脉冲序列，控制器根据所述脉冲序列计算得到当前转速对应的转速信号，由于光电检测基本不会受到环境因素影响，从而使得本发明检测的助力准确率高、检测成本较低，并且安装在转动盘和固定盘的位置，外形美观，而且体积较小。下面结合附图具体说明。

如图1a和图1b所示为本发明实施例所述助力自行车的助力控制装置的转动盘和固定盘的结构示意图，所述助力控制装置包括驱动单元、控制单元、设置在自行车转动盘11上的环形光栅12以及设置在固定盘13上的光电开关14，其中：

所述光电开关14包括光电发射管和光电接收管，且所述光电发射管和光电接收管径向设置在所述自行车固定盘13上，所述光电开关14在固定盘13的位置与所述环形光栅12在转动盘11的位置相对应；

所述环形光栅12设置在所述转动盘11上，所述环形光栅12可绕所述转动盘11的轴心转动，使所述环形光栅12对所述光电开关14产生脉冲序列；

所述控制单元根据所述光电开关14产生的脉冲序列，计算所述脉冲序列对应的助力值，并根据所述助力值发送相应的转速信号至驱动单元。

具体的，所述光电开关在固定盘的位置与所述环形光栅在转动盘的位置相对应，是指当固定盘与转动盘安装好后，安装在固定盘上的光电开关出射的光电，正好被安装在转动盘上的光栅相对，随着转动盘的转动，而相应的使光电开关导通或者关闭。

所述驱动单元可以包括电源和驱动电机，所述驱动电源可以为电动自行车上的蓄电池，所述驱动电机通过所述蓄电池提供的电能，为电动自行车提供向前驱动的动力。

所述固定盘包括固定盘端盖，所述固定盘13用防转片固定在五通处，固定盘端盖为盘状空腔体，控制单元的电路板可以设置为环形结构设置在所述固定盘13的圆环区域，可用灌胶的方式密封，引出线可以用扎带固定于车身。所述光电开关14设置在所述固定盘的径向位置处，即光电发射管与光电接收管设置在固定盘的同一半径线上。

优选的一种实施方式中，所述环形光栅包括外环光栅121和内环光栅122，其中，所述外环光栅121与内环光栅122为位于同一圆心，但半径不同的环，且所述外环光栅和所述内环光栅的光栅孔的为均匀分布的一个或者多个，为后续实现对车辆行驶方向(向前或者向后)的判断，所述外环光栅和所述内环光栅的光栅孔可错开一定的角度，从而能够使得光电开关在转动盘的旋转方向不同，对应不同的开关导通次序。与所述光栅结构相对应的，在固定盘上对应内环光栅122的内侧，设置有第一光电开关，在固定盘对应的外环光栅121的内侧位置处，设置有第二光电开关。通过两个光电开关进行检测，可以更好的提高检测的准确率。

通过两个光电开关，可以检测得到两个脉冲序列，根据所述脉冲序列判断所述助力自行车为前行状态或者倒退状态，当判断所述助力自行车为倒退状态时，则不对所述驱动电机发送助力驱动的控制指令。从而提高运行的可靠性，避免出现危险事故。在车辆倒推时，电机停止工作，增加操作的可靠性。

其中，前行状态或者倒退状态的判断，可以检测两个光电开关管从同时导通状态转换到进入一个光电开关管断开的状态时的先后次序，车辆前行与倒退时，两个光电开关管断开的先后次序是不同的，这样就可以区分车辆行进方向。

作为本发明实施例中又一种优选的实施方式，所述环形光栅可以只用一圈环形光栅，对应的，设置两个光电开关并排沿同一圆周线分布，转动盘转动时两个光电开关依次导通，同样原理也可以实现通过检测导通序列来分析电机的正反转，即，两个光电开关管相对光栅安装时可错开一定的角度，从而能够使得光电开关在转动盘的旋转方向不同，对应不同的开关导通次序。

更进一步的，本发明还可以根据得到的脉冲序列，进一步判断判断转动盘旋转周期内的受力位置信息，根据所述受力位置信息以及预设的手摇脚踏板的受力位置点、骑行时脚踏的受力位置点，判断当前是否为骑行状态，如果不是骑行状态，则不对所述驱动电机发送助力驱动的控制指令。从而使得在非脚蹬的状态下能够智能识别，避免电能的浪费，同时操作更安全。

其中，正常骑行时脚蹬的受力点，一般为转动盘，在本发明实施例中也可以为牙盘转动时，在脚蹬位于前方位置时受力最大，在此位置对应的加速度也最大，从而根据速度的变化值可以得到对应的受力点，而非脚蹬状态下的受力状态，则可以包括其它各种受力情况或者包括完全不受力的情况。

如图1a和图1b所示，当所述转动盘为牙盘结构时，其可以转随中轴一起转动，转动盘的外环光栅和内环光栅为360度均匀分布的一个或者多个光栅凹孔，例如，本发明可以设定外环光栅和内环光栅均使用36个凹孔。固定盘与转动盘安装好后，转动盘的光栅的高度小于固定盘到转动盘之间的距离，这样可以使得固定盘和转动盘之间没有机械接触。转动盘转动时，转动盘上的环形光栅分别嵌入到固定盘上的两个光电开关的凹槽中，实现光电开关的脉冲式开与关。通过设置两个环形光栅，可以检测导通时序分析牙盘的正反转，反馈给控制单元，以便更好的实现控制。

如图2所示，所述控制单元可以包括控制器21、电源模块22、电路状态监测与保护模块23、电机检测模块24和外部通信模块25，其中：

所述电源模块22用于为控制单元提供电能；

所述电路状态监测与保护模块23用于在电路异常时提供保护；

所述电机检测模块24用于检测电机当前的运行状态，并将所述运行状态反馈给控制器；

所述外部通信模块25用于将控制指令传送至控制器，或者由控制器将状态信息输出；

所述控制器21用于根据光电开关检测的脉冲序列、电机检测模块的检测信号相应的发出控制指令至电机驱动单元。

本发明实施例中所述控制器，可以为单芯片的CPU，即由一个CPU处理所有的主控逻辑程序与光电速度传感器信息处理逻辑程序，也可以设置为多芯片方式，一个CPU处理主控逻辑程序，另一个CPU处理光电速度传感器信号处理逻辑程序，光电信号处理逻辑程序用于处理光电速度传感器获得的脉冲序列，主控逻辑程序用于对此脉冲序列做处理，转换为对应于骑行者脚蹬力大小的PWM动力信号，输出控制MOS管来驱动电机运转。

所述电路状态监测与保护模块功能包括过压保护、欠压保护、过流保护等常见的控制器保护功能。所述外部通信模块包括显示屏、按键面板、码表、蓝牙通信模块、红外通信模块、无线射频模块中的一种或者多种，用以接收控制命令，发送命令反馈或者状态信息等，比如打开助力，关闭助力、获取速度信息、获取电池电量信息等。

本发明所述助力电动车的助力控制装置，具有以下好处：

1、通过光电开关，实现了以简单可靠但相对廉价的实现方式实现了模拟力矩传感器，将获取到的脉冲序列转换为对应于骑行者脚蹬力量大小的动力信号，助力效果优于传统的霍尔传感器方式，还可以识别人的骑行脚踏方式，当识别为手摇脚踏板时电机不会转动，同时在车辆倒推时，不发送驱动电机运转的信号，使用更加安全和符合人性化要求；

2、优化电路板设计，将控制单元可整体隐藏集成于转动盘，如牙盘中，做成一种牙盘式电动助力自行车控制器，同时用胶完全密封住，具有很好的防水效果，不怕水、泥和灰尘等恶劣环境的影响，在自然环境中工作稳定可靠；

3、本发明所需元器件少，产品成本低，功耗小，转动盘与固定盘间无机械接触，不会因为机械损耗或疲劳导致失效或精度降低；

4、从外表看跟普通的牙盘无异，在保证自行车牙盘正常使用的情况下，将检测电路隐藏，外观美观简约，结构简单易安装维护，适用于电动助力自行车、电动脚踏独轮车、电动助力三轮车等轻型电动车辆。

图3为本发明实施例提供的助力自行车的助力控制方法，基于上述助力自行车的助力控制装置，所述方法包括以下步骤：

在步骤S301中，转动盘带动环形光栅转动时，环形光栅控制所述光电发射管的光线到光电接收管的通断，在所述光电接收管产生脉冲序列并发送至控制器。

在步骤S302中，所述控制器根据所述脉冲序列，计算所述脉冲序列对应的脚蹬力大小。

在步骤S303中，根据计算的所述脚蹬力大小，控制器发送相应的转速信号至驱动电机。

优选的，所述控制器还包括根据接收的所述脉冲序列与预设的前行的脉冲序列、倒退的脉冲序列进行比较，判断当前运行的状态信息，当判断为倒退状态时，则不对所述驱动电机发送助力驱动的控制指令。

优选的，所述控制器还包括根据接收的所述脉冲序列判断转动盘旋转周期内的受力位置信息，根据所述受力位置信息以及预设的手摇脚踏板的受力位置点、骑行时脚踏的受力位置点，判断当前是否为骑行状态，如果不是骑行状态，则不对所述驱动电机发送助力驱动的控制指令。

图3所述助力自行车的助力控制方法与图1和图2中所述助力自行车的助力控制装置相对应，在此不作重复赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种助力自行车的助力控制装置，其特征在于，所述助力控制装置包括驱动单元、控制单元、设置在自行车转动盘上的环形光栅以及设置在固定盘上的光电开关，其中：

所述光电开关包括光电发射管和光电接收管，且所述光电发射管和光电接收管径向设置在所述自行车固定盘上，所述光电开关在固定盘的位置与所述环形光栅在转动盘的位置相对应；

所述环形光栅设置在所述转动盘上，所述环形光栅可绕所述转动盘的轴心转动，使所述环形光栅对所述光电开关产生脉冲序列；

所述控制单元根据所述光电开关产生的脉冲序列，计算所述脉冲序列对应的助力值，并根据所述助力值发送相应的转速控制信号至驱动单元。

2.根据权利要求1所述助力控制装置，其特征在于，所述环形光栅包括同心的外环光栅和内环光栅，所述光电开关数量为两个，且分别设置在所述内环光栅内侧以及外环光栅内侧与所述固定盘对应的位置，且所述外环光栅和所述内环光栅的光栅孔的为均匀分布的一个或者多个。

3.根据权利要求2所述助力控制装置，其特征在于，所述控制器还用于根据所述脉冲序列判断所述助力自行车为前行状态或者倒退状态，当判断所述助力自行车为倒退状态时，则不对所述驱动电机发送助力驱动的控制指令。

4.根据权利要求2所述助力控制装置，其特征在于，所述控制器还用于根据所述脉冲序列判断转动盘旋转周期内的受力位置信息，根据所述受力位置信息以及预设的手摇脚踏板的受力位置点、骑行时脚踏的受力位置点，判断当前是否为骑行状态，如果不是骑行状态，则不对所述驱动电机发送助力驱动的控制指令。

5.根据权利要求1所述助力控制装置，其特征在于，所述转动盘为自行车的牙盘结构，所述固定盘包括固定盘端盖，所述控制单元固定在所述固定盘端盖中的环形区域。

6.根据权利要求1所述助力控制装置，其特征在于，所述控制单元包括控制器、电源模块、电路状态监测与保护模块、电机检测模块和外部通信模块，其中：

所述电源模块用于为控制单元提供电能；

所述电路状态监测与保护模块用于在电路异常时提供保护；

所述电机检测模块用于检测电机当前的运行状态，并将所述运行状态反馈给控制器；

所述外部通信模块用于将控制指令传送至控制器，或者由控制器将状态信息输出；

所述控制器用于根据光电开关检测的脉冲序列、电机检测模块的检测信号相应的发出控制指令至电机驱动单元。

7.根据权利要求6所述助力控制装置，其特征在于，所述外部通信模块包括显示屏、按键面板、码表、蓝牙通信模块、红外通信模块、无线射频模块中的一种或者多种。

8.一种助力自行车的助力控制方法，其特征在于，所述方法基于上述权利要求1-7任一项所述助力自行车的助力控制装置，所述方法包括：

转动盘带动环形光栅转动时，环形光栅控制所述光电发射管的光线到光电接收管的通断，在所述光电接收管产生脉冲序列并发送至控制器；

所述控制器根据所述脉冲序列，计算所述脉冲序列对应的脚蹬力大小；

根据计算的所述脚蹬力大小，控制器发送相应的转速信号至驱动电机。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述控制器还包括根据接收的所述脉冲序列与预设的前行的脉冲序列、倒退的脉冲序列进行比较，判断当前运行的状态信息，当判断为倒退状态时，则不对所述驱动电机发送助力驱动的控制指令。

10.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述控制器还包括根据接收的所述脉冲序列判断转动盘旋转周期内的受力位置信息，根据所述受力位置信息以及预设的手摇脚踏板的受力位置点、骑行时脚踏的受力位置点，判断当前是否为骑行状态，如果不是骑行状态，则不对所述驱动电机发送助力驱动的控制指令。